JP5299727B2

JP5299727B2 - インペラ

Info

Publication number: JP5299727B2
Application number: JP2012522537A
Authority: JP
Inventors: 幹久石黒; 智庸平野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-06-06
Also published as: JPWO2012002107A1; EP2589815A1; CN102959249B; US20130071247A1; US9115589B2; CN102959249A; WO2012002107A1; EP2589815A4

Description

本発明は、基板と、前記基板の一方側の面に周方向に間隔を隔てて湾曲形状に沿って立設された複数のインペラ翼とを一体に備え、前記インペラ翼が、回転軸芯に沿う方向に延出しつつ先端側を曲げた姿勢で前記基板の内周側に配設された内周側翼部分と、前記回転軸芯に沿う方向に延出する姿勢で前記基板の外周側に配設された外周側翼部分とを備えたインペラに関する。

上記インペラは、インペラ翼の内周側翼部分が回転軸芯に沿う方向に延出しつつ先端側を曲げた姿勢で基板内周側に配設されているので、流体を内周側翼部分で基板内周側から効率良く吸入することができる。
従来の上記インペラは、インペラ翼が内周側翼部分と外周側翼部分とに分割して各別に製作され、これらの内周側翼部分と外周側翼部分とを一体に組み付けて製造されている。
内周側翼部分は、例えばインペラ入口側に装備されるインデューサの基板に一体に設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２６６６４９０号公報

このため、インペラを製造するにあたって、インペラ翼の内周側翼部分と外周側翼部分とを一体に組み付ける必要があり、組み付けの手間が増大するおそれがある。
また、インペラ翼は湾曲形状に沿って基板に立設されているので、回転軸芯に沿う方向に延出しつつ先端側を曲げた姿勢の内周側翼部分は三次元形状を有している。
このため、基板と複数のインペラ翼とを一体に備えたインペラを金型で成形して製造する場合は、成形品を金型から離型するための作業が煩雑で、インペラの製造工程が複雑化するおそれがある。
また、基板と複数のインペラ翼とを一体に備えたインペラを切削加工によって製造する場合は三次元加工を施す必要があり、この場合もインペラの製造工程が複雑化するおそれがある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、三次元形状の内周側翼部分が設けられたインペラ翼を基板と一体に備えながら、製造の簡略化を図ることができるインペラを提供することを目的とする。

本発明によるインペラの第１特徴構成は、基板と、前記基板の一方側の面に周方向に間隔を隔てて湾曲形状に沿って立設された複数のインペラ翼とを一体に備え、前記インペラ翼は、回転軸芯側から拡径しつつ前記周方向に延出され、かつ、前記インペラ翼は、回転軸芯に沿う方向に延出しつつ先端側を曲げた姿勢で前記基板の内周側に配設された内周側翼部分及び前記回転軸芯に沿う方向に延出する姿勢で前記基板の外周側に配設された外周側翼部分で構成され、前記回転軸芯に沿う方向において、前記内周側翼部分における前記基板側から先端側までの長さが前記外周側翼部分における前記基板側から前記先端側までの長さよりも長く、かつ、前記回転軸芯に沿う方向において、前記内周側翼部分における翼厚が前記先端側ほど前記基板側よりも漸減し、前記翼厚の漸減率が不連続に変化する不連続箇所が、前記内周側翼部分の前記湾曲形状に沿って設けられ、前記内周側翼部分が、前記不連続箇所に沿って前記基板の外周側及び前記基板の内周側のいずれか一方の側に向けて曲げた姿勢で立設されている点にある。

本構成のインペラは、インペラ翼が、回転軸芯側から拡径しつつ前記周方向に延出され、回転軸芯に沿う方向において、内周側翼部分における基板側から先端側までの長さが外周側翼部分における基板側から先端側までの長さよりも長く、かつ、内周側翼部分における翼厚が先端側ほど基板側よりも漸減している。
このため、インペラの製造にあたって、回転軸芯に沿う方向において、基板側から先端側までの長さが外周側翼部分における基板側から先端側までの長さよりも長く、かつ、翼厚が先端側ほど基板側よりも漸減している内周側翼部分を、回転軸芯に沿う方向に突出している二次元形状で基板に一体に設けておけば、基板側から先端側までの長さが長く、しかも、翼厚が薄くて曲げ易い内周側翼部分のうちの先端側部分を、別途、曲げることにより、内周側翼部分を三次元形状に塑性変形させる作業で、インペラを容易に製造することができる。
したがって、本構成のインペラであれば、三次元形状の内周側翼部分が設けられたインペラ翼を基板と一体に備えながら、製造の簡略化を図ることができる。
また、本構成であれば、二次元形状で基板に一体に設けた内周側翼部分を、先端側部分が基板の外周側及び基板の内周側のいずれか一方の側に向けて曲がっている姿勢に塑性変形させるにあたって、内周側翼部分の湾曲形状に沿って設けてある不連続箇所に曲げ力を集中させて、その不連続箇所よりも先端側部分を曲げ易い。
したがって、内周側翼部分を、先端側部分が基板の外周側及び基板の内周側のいずれか一方の側に向けて曲がっている姿勢に塑性変形させ易い。

本発明によるインペラの第２特徴構成は、基板と、前記基板の一方側の面に周方向に間隔を隔てて湾曲形状に沿って立設された複数のインペラ翼とを一体に備え、前記インペラ翼が、回転軸芯に沿う方向に延出しつつ先端側を曲げた姿勢で前記基板の内周側に配設された内周側翼部分と、前記回転軸芯に沿う方向に延出する姿勢で前記基板の外周側に配設された外周側翼部分とを連続させて立設され、前記回転軸芯に沿う方向において、前記内周側翼部分における前記基板側から先端側までの長さが前記外周側翼部分における前記基板側から前記先端側までの長さよりも長く、かつ、前記回転軸芯に沿う方向において、前記内周側翼部分における翼厚が前記先端側ほど前記基板側よりも漸減し、前記翼厚の漸減率が不連続に変化する不連続箇所が、前記内周側翼部分の前記湾曲形状に沿って設けられ、前記内周側翼部分が、前記不連続箇所に沿って前記基板の外周側及び前記基板の内周側のいずれか一方の側に向けて曲げた姿勢で立設されている点にある。

本構成のインペラは、インペラ翼が内周側翼部分と外周側翼部分とを連続させて立設され、回転軸芯に沿う方向において、内周側翼部分における基板側から先端側までの長さが外周側翼部分における基板側から先端側までの長さよりも長く、かつ、内周側翼部分における翼厚が先端側ほど基板側よりも漸減している。
このため、インペラの製造にあたって、回転軸芯に沿う方向において、基板側から先端側までの長さが外周側翼部分における基板側から先端側までの長さよりも長く、かつ、翼厚が先端側ほど基板側よりも漸減している内周側翼部分を、回転軸芯に沿う方向に突出している二次元形状で基板に一体に設けておけば、基板側から先端側までの長さが長く、しかも、翼厚が薄くて曲げ易い内周側翼部分のうちの先端側部分を、別途、曲げることにより、内周側翼部分を三次元形状に塑性変形させる作業で、インペラを容易に製造することができる。
したがって、本構成のインペラであれば、三次元形状の内周側翼部分が設けられたインペラ翼を基板と一体に備えながら、製造の簡略化を図ることができる。

また、本構成であれば、二次元形状で基板に一体に設けた内周側翼部分を、先端側部分が基板の外周側及び基板の内周側のいずれか一方の側に向けて曲がっている姿勢に塑性変形させるにあたって、内周側翼部分の湾曲形状に沿って設けてある不連続箇所に曲げ力を集中させて、その不連続箇所よりも先端側部分を曲げ易い。
したがって、内周側翼部分を、先端側部分が基板の外周側及び基板の内周側のいずれか一方の側に向けて曲がっている姿勢に塑性変形させ易い。

本発明の第３特徴構成は、前記基板がインペラ背板を構成しており、前記複数のインペラ翼を挟んで前記インペラ背板に対向させて組み付けられるシュラウドが、前記インペラ翼のうちの前記外周側翼部分に固定されている点にある。

本構成であれば、インペラ翼のうちの外周側翼部分、つまり、回転軸芯に沿う方向に突出する姿勢の二次元形状の内周側翼部分にシュラウドが固定されているので、シュラウドをインペラ翼に対して精度良く固定し易い。

本発明の第４特徴構成は、前記基板には水抜き孔が形成してある点にある。

インペラが回転する際には、内周側翼部分から軸方向に向けて冷却水が吐出されるが、本構成であれば、吐出されずに内周側翼部分に残留した冷却水を、水抜き孔から効率よく排出することができる。水抜き孔から冷却水を排出することで、インペラの回転に必要なトルクを低減することができる。

本発明の第５特徴構成は、前記シュラウドには、前記外周側翼部分と嵌合する嵌合凹部を形成した点にある。

本構成であれば、シュラウドをインペラ翼に固定する際に、インペラ翼の外周側翼部分を凸部とシュラウドの嵌合凹部とを嵌合させることができる。従って、インペラ翼とシュラウドとを強固に固定できるため、インペラ翼の回転に伴う異音や振動などの発生を抑制することができる。

本発明によるインペラを備えたロータユニットの側面図である。ロータユニットの縦断面図である。インペラの平面図である。（ａ）は内周側翼部分の図３におけるIVａ−IVａ線矢視断面図、（ｂ）は外周側翼部分の図３におけるIVｂ−IVｂ線矢視断面図である。インペラ翼の斜視図である。シュラウドの斜視図である。インペラ回転軸芯に沿う方向における金型装置の断面図である。インペラ中間製品の斜視図である。塑性変形工程を示す断面図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１，図２は、車載用のウォーターポンプに用いられるインナーロータ型のブラシレスモータのロータユニットＡを示す。
ロータユニットＡは、ブラシレスモータのロータ１とウォーターポンプ用の本発明による遠心形の樹脂製インペラ２とが一体化されたものである。

ロータユニットＡは、電磁鋼板を積層してあるヨーク３及びマグネット４を有するロータ１と、インペラ２とが樹脂材料によって一体成形されている。
この樹脂材料には、例えば高い耐熱性と剛性とを有する難燃性樹脂であるＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）などの熱可塑性樹脂が用いられる。

インペラ２は、連結軸部５を介してロータ１の一端側に設けられている。インペラ２がロータ１と一体に回転して、インペラ翼６がウォーターポンプの水に作用する。

図２に示すように、ロータユニットＡの中心部には、ロータ１から連結軸部５を介してインペラ２まで貫通する回転軸挿入孔７が形成されている。回転軸挿入孔７には、インペラ２の側から支軸（図示せず）が挿入される。この支軸は、回転軸挿入孔７の内壁に形成された前後２箇所の軸受け部８に支持される。

インペラ２は、図３において矢印ａで示す方向に回転する。
図３にも示すように、インペラ２は、回転軸芯Ｘの周りで円形の基板である樹脂製のインペラ背板９と、インペラ背板９の一方側の面（ロータ１の側とは逆の面）に周方向に一定間隔を隔てて湾曲形状に沿って立設された複数の樹脂製のインペラ翼６とを一体に備えている。インペラ背板９が連結軸部５を介してロータ１と一体に連結されている。
インペラ背板９には、水抜き孔１０が形成されている。当該水抜き孔１０からは、吐出されずに内周側翼部分に残留した冷却水を排出することができる。

インペラ翼６は、回転軸芯Ｘの側から拡径しつつ周方向に延出され、三次元形状の内周側翼部分６ａと二次元形状の外周側翼部分６ｂとを連続させて立設されている。
内周側翼部分６ａは、外周側翼部分６ｂよりも曲率が大きい湾曲形状に沿って、回転軸芯Ｘに沿う方向に延出しつつ先端側部分６ｃを湾曲形状の法線方向に沿ってインペラ背板９の外周側（回転方向ａの下手側）に向けて曲げた姿勢でインペラ背板９の内周側（以下、基板内周側という）に配設されている。
外周側翼部分６ｂは、回転軸芯Ｘに沿う方向に延出する姿勢でインペラ背板９の外周側（以下、基板外周側という）に配設されている。

インペラ翼６は、回転軸芯Ｘに沿う方向において、図４（ａ）に示す内周側翼部分６ａにおける基板９側から先端側までの長さ（以下、翼幅という）Ｂが、図４（ｂ）に示す外周側翼部分６ｂにおける基板９側から先端側までの長さ（翼幅）Ｂよりも長く設定されている。
また、回転軸芯Ｘに沿う方向において、図４（ａ）に示すように、内周側翼部分６ａの翼厚Ｔは、先端側ほどインペラ背板９の側よりも漸減する厚さに設定されている。
つまり、内周側翼部分６ａの先端側部分６ｃを回転方向ａの下手側に向けて曲げる際に、先端側部分６ｃを連続的に曲がった湾曲形状に曲げ易くしてあり、ウォーターポンプにおける水を効率良く掻き込むことができる。

内周側翼部分６ａの基板外周側（回転方向ａの下手側）に向く翼面１１であって、翼幅Ｂに沿う方向の中間位置には、翼厚Ｔの漸減率が不連続に変化する不連続箇所１２が内周側翼部分６ａの湾曲形状（内周側翼部分６ａの長手方向）に沿って筋状に設けられ、図５に示すように、内周側翼部分６ａの先端側部分６ｃは、この不連続箇所１２に沿って基板外周側に向けて湾曲するように曲げた姿勢で立設されている。

インペラ翼６のうちの外周側翼部分６ｂに、円形環状に形成された樹脂製のシュラウド１３が複数のインペラ翼６を挟んでインペラ背板９に対向させて組み付けられている。
シュラウド１３は、図６に示すように、吸入口１４を形成する円筒部１５と外周側翼部分６ｂが接合固定される円形鍔部１６とを同芯状に備えている。

円形鍔部１６の端面には、外周側翼部分６ｂを嵌合固定する嵌合凹部１７が周方向に一定間隔を隔てて形成されている。
インペラ翼６は、外周側翼部分６ｂの先端側を嵌合凹部１７に嵌合して接合固定され、内周側翼部分６ａをシュラウド１３の内側から吸入口１４に臨ませてある。

以下に、ロータ１に一体化された本発明によるインペラ２の製造方法を説明する。
インペラ製造方法は、図７に示すようにインペラ２の回転軸芯Ｘに沿う方向に型締め可能な成形金型１８を使用して、図８に示すように、インペラ背板９と複数のインペラ翼６とを一体に備え、かつ、インペラ翼６が、翼幅Ｂに沿う全長に亘って回転軸芯Ｘに沿う方向に延出する姿勢で基板内周側に配設された内周側翼部分６ａと、翼幅Ｂに沿う全長に亘って回転軸芯Ｘに沿う方向に延出する姿勢で基板外周側に配設された外周側翼部分６ｂとが連続しているインペラ中間製品１９を樹脂成形する成形工程と、図９に示すように、インペラ中間製品１９における内周側翼部分６ａの先端側部分６ｃを基板外周側に向けて曲がるように塑性変形させる塑性変形工程と、インペラ翼６にシュラウド１３を組み付ける組付工程とを各別に有する。

図７は、成形工程においてインペラ２とロータ１とを一体に備えたロータユニットＡを樹脂成形するために使用する金型装置２０を示す。
金型装置２０は、上部金型２０ａと、下部金型２０ｂと、上部金型２０ａと下部金型２０ｂとの間の左右一対の中間金型２０ｃとの四つの成形金型を備えている。

上部金型２０ａが、左右の中間金型２０ｃに対してインペラ２の回転軸芯Ｘに沿う方向に型締め可能に設けられ、上部金型２０ａと左右の中間金型２０ｃとの間にインペラ背板成形用キャビティ２１が設けられ、各インペラ翼６毎に対応するインペラ翼成形用キャビティ２２が上部金型２０ａに設けられている。
したがって、上部金型２０ａが、インペラ２の回転軸芯Ｘに沿う方向に型締め可能な成形金型１８に対応している。

ロータユニットＡは、上部金型２０ａと下部金型２０ｂと左右の中間金型２０ｃとの間に形成されたキャビティ２３にヨーク３及びマグネット４を装着しておいて、上部金型２０ａに設けられたゲート２４から圧入された樹脂材料で一体成形される。

インペラ翼成形用キャビティ２２は、内周側翼部分６ａと外周側翼部分６ｂとがインペラ背板９に対して回転軸芯Ｘに沿う方向（型締め方向）に延出している姿勢の二次元形状のインペラ翼６が成形されるように設けられている。

図８は、成形工程において樹脂成形されたインペラ中間製品１９を示し、インペラ翼６は、内周側翼部分６ａと外周側翼部分６ｂとが翼幅Ｂに沿う全長に亘ってインペラ背板９に対して回転軸芯Ｘに沿う方向に突出している姿勢の二次元形状でインペラ背板９に一体成形されている。

インペラ中間製品１９における内周側翼部分６ａの回転方向ａに向く側面には、翼厚Ｔの漸減率が不連続に変化する不連続箇所１２が、内周側翼部分６ａの湾曲形状（内周側翼部分６ａの長手方向）に沿って筋状に形成されている。

図９は塑性変形工程を示し、基盤２９に載置したインペラ中間製品１９のうちの内周側翼部分６ａを熱間で押圧金型２５で押し曲げて、その先端側部分６ｃを不連続箇所１２に沿って基板外周側に向けて曲げた姿勢の三次元形状に塑性変形させる。
押圧金型２５には、内周側翼部分６ａの先端側部分６ｃを回転方向下手側に向けた所定の形状に変形させる押面２６を備えた凹部２７を形成してある。

したがって、回転軸芯Ｘに沿う方向に突出している二次元形状のインペラ翼６のうちの内周側翼部分６ａを凹部２７に入り込ませて、内周側翼部分６ａの先端側部分６ｃを不連続箇所１２に沿って基板外周側に向けて曲げた所定の形状に塑性変形させることができる。

この塑性変形工程においては、少なくとも内周側翼部分６ａの温度が材料変形温度範囲（本実施形態では２１０〜２２０℃）に保持され、所定の形状に塑性変形させた後は、インペラ翼６を急冷して、内周側翼部分６ａの先端側を回転方向下手側に向けて曲げた姿勢で硬化させる。

組付工程においては、図６（ｃ）に示すように、円形鍔部１６に形成した嵌合凹部１７の底面に、接着材として機能する接着用の樹脂突起２８が一体に成形された、インペラ２を形成している樹脂と同じ熱可塑性樹脂製のシュラウド１３を、インペラ翼６に組み付ける。

インペラ翼６とシュラウド１３は、外周側翼部分６ｂの先端部分を、樹脂突起２８を挟んで嵌合凹部１７に押し込み、樹脂突起２８を超音波振動と加圧力で溶融する超音波溶着により、図１に示したように、互いに接合する。

〔その他の実施形態〕
１．本発明によるインペラは、基板としてのシュラウドとインペラ翼とを一体に備えていてもよい。
２．本発明によるインペラは、金属材料で一体形成された基板とインペラ翼とを備えていてもよい。
３．本発明によるインペラは、樹脂成形した直後の温度が材料変形温度範囲内に保持されているインペラ中間製品における内周側翼部分を、塑性変形工程において回転方向下手側に向けて曲がるように塑性変形させてもよい。
４．本発明によるインペラは、内周側翼部分がその先端側を湾曲形状の法線方向に沿ってインペラ背板（基板）の内周側（回転方向の上手側）に向けて曲げた姿勢で立設されていてもよい。
この場合は、インペラの製造方法における塑性変形工程において、インペラ中間製品における内周側翼部分を基板の内周側に向けて曲がるように塑性変形させる。

２インペラ
６インペラ翼
６ａ内周側翼部分
６ｂ外周側翼部分
６ｃ先端側
９基板（インペラ背板）
１０水抜き孔
１１翼面
１２不連続箇所
１３シュラウド
１７嵌合凹部
１８成形金型
１９インペラ中間製品
Ｂインペラ翼の基板側から先端側までの長さ
Ｔ翼厚
Ｘ回転軸芯

Claims

基板と、前記基板の一方側の面に周方向に間隔を隔てて湾曲形状に沿って立設された複数のインペラ翼とを一体に備え、
前記インペラ翼は、回転軸芯側から拡径しつつ前記周方向に延出され、
かつ、前記インペラ翼は、回転軸芯に沿う方向に延出しつつ先端側を曲げた姿勢で前記基板の内周側に配設された内周側翼部分及び前記回転軸芯に沿う方向に延出する姿勢で前記基板の外周側に配設された外周側翼部分で構成され、
前記回転軸芯に沿う方向において、前記内周側翼部分における前記基板側から先端側までの長さが前記外周側翼部分における前記基板側から前記先端側までの長さよりも長く、
かつ、前記回転軸芯に沿う方向において、前記内周側翼部分における翼厚が前記先端側ほど前記基板側よりも漸減し、
前記翼厚の漸減率が不連続に変化する不連続箇所が、前記内周側翼部分の前記湾曲形状に沿って設けられ、
前記内周側翼部分が、前記不連続箇所に沿って前記基板の外周側及び前記基板の内周側のいずれか一方の側に向けて曲げた姿勢で立設されているインペラ。
基板と、前記基板の一方側の面に周方向に間隔を隔てて湾曲形状に沿って立設された複数のインペラ翼とを一体に備え、
前記インペラ翼が、回転軸芯に沿う方向に延出しつつ先端側を曲げた姿勢で前記基板の内周側に配設された内周側翼部分と、前記回転軸芯に沿う方向に延出する姿勢で前記基板の外周側に配設された外周側翼部分とを連続させて立設され、
前記回転軸芯に沿う方向において、前記内周側翼部分における前記基板側から先端側までの長さが前記外周側翼部分における前記基板側から前記先端側までの長さよりも長く、
かつ、前記回転軸芯に沿う方向において、前記内周側翼部分における翼厚が前記先端側ほど前記基板側よりも漸減し、
前記翼厚の漸減率が不連続に変化する不連続箇所が、前記内周側翼部分の前記湾曲形状に沿って設けられ、
前記内周側翼部分が、前記不連続箇所に沿って前記基板の外周側及び前記基板の内周側のいずれか一方の側に向けて曲げた姿勢で立設されているインペラ。
前記基板がインペラ背板を構成しており、
前記複数のインペラ翼を挟んで前記インペラ背板に対向させて組み付けられるシュラウドが、前記インペラ翼のうちの前記外周側翼部分に固定されている請求項１又は２に記載のインペラ。
前記基板には水抜き孔が形成してある請求項１〜３の何れかに記載のインペラ。
前記シュラウドには、前記外周側翼部分と嵌合する嵌合凹部が形成してある請求項３に記載のインペラ。